激光掃描技術(shù)在建筑物立面測繪中的應(yīng)用研究

吳亞稀

（余姚市正衡測繪有限公司，浙江寧波 315400）

0 引言

部分工程單位在采集建筑立面測繪數(shù)據(jù)工作中，通常選擇應(yīng)用相機(jī)、皮尺、測距儀、全站儀等設(shè)備進(jìn)行人工測繪，不僅需要耗費(fèi)大量時間進(jìn)行現(xiàn)場測量，還需要進(jìn)行復(fù)雜的后期計算，存在效率、誤差方面的不足。為提升測繪效率，部分單位選擇應(yīng)用無人機(jī)航測技術(shù)，但會面臨數(shù)據(jù)采集精度方面的難題。本文針對建筑立面測繪數(shù)據(jù)采集工作中存在的難題，提出應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)的測繪方法。

1 三維激光掃描技術(shù)概述

在建筑工程、變形監(jiān)測等領(lǐng)域中，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用廣泛，該技術(shù)為高清晰度測量技術(shù)，能夠借助激光實現(xiàn)對大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的快速采集。在實際應(yīng)用過程中，儀器能夠發(fā)射具有大量點(diǎn)云的激光脈沖，點(diǎn)云附帶有反射率信息、高密度等，能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)單位的無接觸信息采集，并可通過提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的目標(biāo)結(jié)構(gòu)信息還原目標(biāo)三維模型。相對傳統(tǒng)建筑立面測繪方法，該技術(shù)的效率更高，可以對任意規(guī)則結(jié)構(gòu)的建筑進(jìn)行快速測繪，同時能夠保證測繪精度[1]。

2 三維激光掃描技術(shù)原理分析

三維激光掃描技術(shù)的關(guān)鍵硬件設(shè)備為三維激光掃描儀，該儀器的采集速率、精度等功能特性如表1 所示。

表1 三維激光掃描儀功能特性

三維激光掃描技術(shù)原理如圖1 所示，通過對建筑立面進(jìn)行豎直與水平方向的掃描實現(xiàn)空間結(jié)構(gòu)信息的采集。圖1 中，α、β為激光中心O 與掃描位置A之間的水平與豎直方向夾角，X、Y、Z 為坐標(biāo)軸。

圖1 三維激光掃描技術(shù)原理

掃描位置A 的坐標(biāo)為（X，Y，Z），可以利用三維掃描儀的測距功能確定A 點(diǎn)與O 點(diǎn)之間的距離η 和角度，根據(jù)距離η 和夾角α、β 計算A 點(diǎn)坐標(biāo)，公式如下：

在三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用前，工作人員需要嚴(yán)格按照野外測繪要求對目標(biāo)區(qū)域整體情況進(jìn)行全面勘察，根據(jù)勘察結(jié)果繪制野外草圖，借助草圖對建筑立面測繪期間面臨的障礙物情況以及測繪尺寸進(jìn)行評估，從而確定現(xiàn)場測定布設(shè)需求。為滿足工程測繪需求，工作人員需要觀測建筑地表、空間現(xiàn)場情況，借助攝像機(jī)采集圖像數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)據(jù)和現(xiàn)場情況制定測繪方案，嚴(yán)格控制測站數(shù)量以及建筑與測站的間距，確保數(shù)據(jù)精度等符合測繪需求[2]。

3 建筑立面測繪數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理工作要點(diǎn)

3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

測繪前，工作人員需要根據(jù)測繪方案做好三維激光掃描儀模式、分辨率、精度等參數(shù)的設(shè)置，由于單個位置掃描獲取的建筑結(jié)構(gòu)信息特征有限，工作人員需要重復(fù)按操作流程進(jìn)行多個位置的掃描，從而確保采集數(shù)據(jù)覆蓋整個建筑立面。針對采集的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，工作人員需要基于最小二乘法進(jìn)行線性擬合：

其中，i、j 為x、y 擬合直線的斜率，k 為截距。

式（4）可轉(zhuǎn)化為矩陣形式：

針對上述矩陣，引入擬合向量ω，求得基于信息節(jié)點(diǎn)的線性擬合公式如下：

式（6）計算結(jié)果最小值即為擬合誤差最小法向量，由此可以確定建筑初始掃描位置，為后續(xù)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理提供依據(jù)[3]。

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

為避免因異常、錯誤數(shù)據(jù)點(diǎn)影響建筑立面測繪數(shù)據(jù)精度，工作人員需要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理需要應(yīng)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)算法，實現(xiàn)對異常數(shù)據(jù)信息的清理。數(shù)據(jù)處理時可以采用均值濾波方法，公式如下：

其中，ε 代表均值濾波處理；e（x，y）為均值濾波處理結(jié)果；p（x，y）為濾波窗口（中心為數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)）坐標(biāo)點(diǎn)；q（x，y）坐標(biāo)灰度值。數(shù)據(jù)處理期間，首先基于坐標(biāo)灰度值對測繪的建筑立面數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行降序排列，并在此基礎(chǔ)上輸出均值處理結(jié)果，將相應(yīng)的灰度值匹配給處理結(jié)果對應(yīng)中心的像素。均值濾波算法能夠?qū)Ⅻc(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在的噪聲點(diǎn)消除，同時實現(xiàn)對數(shù)據(jù)密度的分散處理，通過對建筑立面測繪數(shù)據(jù)結(jié)果壓縮、精簡的方式實現(xiàn)對后續(xù)測繪數(shù)據(jù)處理效率與精度的提升[4]。

部分區(qū)域存在遮擋物或目標(biāo)區(qū)域尺寸較大等都可能導(dǎo)致掃描結(jié)果無法滿足使用需求，針對這一情況，工作人員需要將中心點(diǎn)定為測繪目標(biāo)建筑物，在掃描期間設(shè)置多個掃描點(diǎn)位。針對不同點(diǎn)位掃描數(shù)據(jù)存在的不同維度問題，工作人員需要借助拼接技術(shù)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)空間坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換處理：

其中，mr與nr即為待拼接的不同維度數(shù)據(jù)點(diǎn)，B 為平行位移轉(zhuǎn)換矩陣，D 為旋轉(zhuǎn)矩陣。

為實現(xiàn)不同坐標(biāo)系點(diǎn)云數(shù)據(jù)的統(tǒng)一，本文選擇應(yīng)用極坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)換法：

其中，τ 為待處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)與極點(diǎn)的間距；φ 為待處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)所在坐標(biāo)系與極軸的逆時針角度差。經(jīng)過點(diǎn)云數(shù)據(jù)的均值濾波降噪處理和拼接轉(zhuǎn)換處理，原本不同維度的測繪數(shù)據(jù)最終被整合為一體。

4 三維激光掃描技術(shù)測繪數(shù)據(jù)采集精度實驗分析

為研究三維激光掃描技術(shù)在建筑立面測繪方面的精度，本文選擇某城區(qū)改造項目進(jìn)行實證對比分析。該項目為針對老舊城區(qū)的改造工作，為確保項目順利開展，需要對建筑立面進(jìn)行測繪?，F(xiàn)場勘測數(shù)據(jù)結(jié)果表明，老城區(qū)改造目標(biāo)建筑主要為多層建筑，所在區(qū)域存在約4.75 m 寬的道路，建筑分布與道路兩側(cè)，道路相對窄小，建筑周邊存在較多高大樹木，形成嚴(yán)重遮擋問題，人工測繪期間需要面臨車輛及居民大量通行的問題，因此有必要借助三維掃描測繪技術(shù)進(jìn)行高效測繪。

4.1 工作流程

為確保該項目建筑立面測繪工作順利開展，工程單位組織人員進(jìn)編制了測繪工作方案，主要包括測繪準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)匯總等多個階段。測繪準(zhǔn)備工作的重點(diǎn)在于結(jié)合工程項目要求對現(xiàn)場建筑分布、環(huán)境影響等進(jìn)行勘察，明確工作路線及人員組織等相關(guān)內(nèi)容。數(shù)據(jù)采集階段，工作人員需要對掃描站點(diǎn)進(jìn)行合理布設(shè)，并做好三維激光掃描儀參數(shù)配置工作，確保測角、測距精度等符合測繪要求，最終獲取相應(yīng)的影像數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)處理階段，工作人員需要借助算法、軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)均值降噪、拼接轉(zhuǎn)換處理，并構(gòu)建所需的三維模型。

4.2 對比實驗

為驗證三維激光掃描技術(shù)在實際測繪中的精度，針對建筑立面拐角位置、特征位置多個點(diǎn)位分別利用全站儀和三維激光掃描方法進(jìn)行測量（表2）。

表2 全站儀量測數(shù)據(jù)與三維激光掃描測繪技術(shù)偏差對比 m

數(shù)據(jù)結(jié)果表明，三維激光掃描測繪結(jié)果與全站儀誤差最大為0.008 2 m，誤差在±10 mm 范圍內(nèi)，測繪精度能夠滿足需求。為進(jìn)一步驗證三維激光掃描測繪技術(shù)的精度，本文針對相同特征性的多個測繪點(diǎn)，利用鋼尺、三維激光掃描技術(shù)分別測量。測量結(jié)果表明，兩種測量方式之間的偏差最高僅為7 mm，能夠滿足測繪精度需求。

5 結(jié)束語

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)對于解決傳統(tǒng)人工測繪建筑立面過程中面臨的測繪難度大、效率低、精度差等問題具有積極意義。三維激光掃描技術(shù)借助激光脈沖實現(xiàn)對大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的快速掃描，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)均值降噪、多站點(diǎn)測繪數(shù)據(jù)拼接轉(zhuǎn)換處理等方式，能夠獲取精準(zhǔn)的測量數(shù)據(jù)。結(jié)果表明三維激光掃描技術(shù)在特征、拐角等點(diǎn)位的測距精度滿足需求，具有推廣應(yīng)用價值。